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HAL Id: tel-01751131 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01751131v2 Submitted on 11 Feb 2015 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Mesure sans contact de l’activité cardiaque par analyse du flux vidéo issu d’une caméra numérique : extraction de paramètres physiologiques et application à l’estimation du stress Frédéric Bousefsaf To cite this version: Frédéric Bousefsaf. Mesure sans contact de l’activité cardiaque par analyse du flux vidéo issu d’une caméra numérique : extraction de paramètres physiologiques et application à l’estimation du stress. Traitement du signal et de l’image [eess.SP]. Université de Lorraine, 2014. Français. NNT : 2014LORR0192. tel-01751131v2 UNIVERSITÉ DE LORRAINE ÉCOLE DOCTORALE IAEM LORRAINE LABORATOIRE DE CONCEPTION, OPTIMISATION ET MODÉLISATION DES SYSTÈMES THÈSE pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE LORRAINE Discipline : Génie informatique, automatique et traitement du signal Présentée et soutenue publiquement par : FRÉDÉRIC BOUSEFSAF MESURE SANS CONTACT DE L’ACTIVITÉ CARDIAQUE PAR ANALYSE DU FLUX VIDÉO ISSU D’UNE CAMÉRA NUMÉRIQUE EXTRACTION DE PARAMÈTRES PHYSIOLOGIQUES ET APPLICATION À L’ESTIMATION DU STRESS Soutenue publiquement le 26 novembre 2014, devant le jury composé de : RAPPORTEURS : Norbert NOURY (Pr., INL CNRS, Université Claude-Bernard Lyon 1) Etienne COLLE (Pr., Laboratoire IBISC, Université d’Évry) EXAMINATEURS : Jacques DUCHÊNE (Pr., Institut Charles Delaunay, U.T. de Troyes) François CABESTAING (Pr., Laboratoire LAGIS, Université Lille 1) Alain PRUSKI (Pr., LCOMS, Université de Lorraine) Imed KACEM (Pr., LCOMS, Université de Lorraine) Choubeila MAAOUI (MCF, LCOMS, Université de Lorraine) Frédéric BOUSEFSAF : Mesure sans contact de l’activité cardiaque par analyse du flux vidéo issu d’une caméra numérique : extraction de paramètres physiologiques et application à l’estimation du stress. Thèse de doctorat, LCOMS, Université de Lorraine (2014). iii REMERCIEMENTS C’est tout naturellement et en premier lieu que je tenais à remercier Alain PRUSKI et Choubeila MAAOUI, mon directeur et ma co-directrice de thèse, notamment pour leur disponibilité, leur soutien et pour la confiance qu’ils m’ont accordée. Avec du recul, je remarque que leurs conseils affûtés m’auront permis de rapidement acquérir de nouvelles compétences, notamment dans la rédaction scientifique. Merci de m’avoir permis et aidé à réaliser cette thèse. Je tenais également à remercier chacun des membres du jury pour avoir évalué et rapporté sur cette thèse de doctorat. Mes plus vifs remerciements s’adressent donc à Jacques DUCHÊNE pour m’avoir fait l’honneur de présider ce jury. Je remercie particulièrement Etienne COLLE et Norbert NOURY pour avoir accepté la charge de rapporter sur ces travaux de thèse ainsi que François CABESTAING pour avoir accepté d’intégrer le jury en tant qu’examinateur. Merci pour l’intérêt et la considération que vous avez portés sur ce travail et pour vos remarques très constructives. Je remercie également l’ensemble des membres du LCOMS et en particulier ceux qui ont partagé avec moi l’étiquette de l’équipe EPSAP. Je remercie spécifiquement Imed KACEM et Guy BOURHIS pour m’avoir permis d’intégrer le laboratoire en me proposant une bourse de thèse. Je souhaite aussi remercier particulièrement Olivier HABERT pour m’avoir permis de réaliser un volet de la thèse qui me tenait à cœur en ayant soutenu ma candidature en tant que Doctorant Contractuel Chargé d’Enseignement au sein de l’Institut Supérieur d’Électronique et d’Automatique. Je profite des dernières lignes de ce paragraphe pour remercier et saluer Yann et Pierre, deux collègues du laboratoire, avec qui j’ai eu la chance de partager de très agréables moments tout au long de ces trois années. Je pense et me dois de remercier également tous mes amis, notamment ceux qui auront eu le courage de me soutenir pendant ces trois années ou qui ont réussi, l’espace d’un instant, à me faire oublier la thèse. Pensée particulière pour ceux qui partagent avec moi l’étiquette de la recherche : Julien VEYTIZOU, Lucas CICERO, Loic BECKER et ma fidèle collègue de bureau Wahida HANDOUZI. Les derniers n’étant certainement pas des moindres, je tenais profondément à remercier tous les membres de ma famille et en particulier ma mère, mon père, mon frère et mon papy pour cet enthousiasme sans faille qui les anime. C’est en partie grâce à vous si j’en suis ici aujourd’hui. Je terminerai cette page en remerciant ma compagne, Aurore, pour son soutien et ses encouragements dévoués. Ces trois années ne se seraient certainement pas déroulées de la même manière sans toi. Les machines un jour pourront résoudre tous les problèmes, mais jamais aucune d'entre elles ne pourra en poser un ! A. EINSTEIN iv v SOMMAIRE SOMMAIRE ..................................................................................................................................... V ABRÉVIATIONS .............................................................................................................................. VII INTRODUCTION GÉNÉRALE ................................................................................................................. 1 1.1 Contexte .................................................................................................................................... 1 1.2 Sujet de recherche et contribution scientifique ........................................................................ 4 1.3 Organisation du manuscrit ........................................................................................................ 7 ETAT DE L’ART : QUANTIFICATION DU STRESS BASÉE SUR LA PHYSIOLOGIE .................................................... 9 2.1 Les signaux physiologiques ...................................................................................................... 10 2.2 Stress mental et système nerveux autonome ......................................................................... 57 2.3 Résumé .................................................................................................................................... 70 MESURE DU SIGNAL PPG ET EXTRACTION DE PARAMÈTRES PHYSIOLOGIQUES ............................................. 71 3.1 Fonctionnement des caméras numériques ............................................................................. 72 3.2 Transformée en ondelettes continue ...................................................................................... 77 3.3 Méthode de récupération et de filtrage du signal photopléthysmographique ....................... 81 3.4 Mesure de la fréquence cardiaque instantanée et du rythme respiratoire ........................... 101 3.5 Mesure des amplitudes du signal photopléthysmographique ............................................... 111 3.6 Résumé .................................................................................................................................. 118 APPLICATION À LA DÉTECTION DU STRESS ...........................................................................................121 4.1 Construction de la courbe de stress à partir des paramètres physiologiques ....................... 122 4.2 Matériel et protocole expérimental ...................................................................................... 124 4.3 Résultats ................................................................................................................................ 127 4.4 Discussion .............................................................................................................................. 131 4.5 Résumé .................................................................................................................................. 134 CONCLUSION ET PERSPECTIVES ........................................................................................................135 TABLE DES MATIÈRES .....................................................................................................................141 TABLE DES FIGURES .......................................................................................................................145 LISTE DES TABLEAUX ......................................................................................................................148 BIBLIOGRAPHIE.............................................................................................................................150 RÉSUMÉ .....................................................................................................................................160 ABSTRACT ...................................................................................................................................161 vi vii ABRÉVIATIONS La signification d’une abréviation est rappelée entre parenthèses lors de sa première apparition. Les sigles de la littérature scientifique les plus couramment rencontrés sont utilisés dans ce manuscrit : il est fréquent que des abréviations soient présentées en anglais. Une traduction en français est dans ce cas proposée à chaque première occurrence. ASR Arythmie Sinusale Respiratoire BF Basses Fréquences de la variabilité cardiaque bpm battements par minute CO2 Dioxyde de Carbone ECG Électrocardiographie HF Hautes Fréquences de la variabilité cardiaque IBI Intervalles entre deux battements successifs (de l’anglais InterBeat Interval) PPG Photopléthysmographie RMSSD Racine carrée des différences au carré de l’intervalle entre deux battements successifs (de l’anglais Root Mean Square of Successive Differences) SaO2 Saturation artérielle en oxygène de l’hémoglobine SpO2 Saturation pulsée en oxygène de l’hémoglobine SNA Système Nerveux Autonome UN Unités Normalisées viii 1 INTRODUCTION GÉNÉRALE 1.1 CONTEXTE Le sujet des travaux de recherche présentés dans cette thèse de doctorat concerne la conception et le développement de méthodes de traitement du signal et des images permettant de mesurer des signaux physiologiques d’une personne située à distance du capteur. Les différents procédés proposés dans ce travail sont rattachés à l’ingénierie biomédicale et cherchent à répondre à des besoins particuliers du domaine de l’e-santé, de la télémédecine et de l’informatique affective. Les mesures sans contact de paramètres physiologiques sont utilisables dans de nombreux champs d’application, allant des services d’urgence jusqu’à l’automobile en passant par les sciences du sport, où le rythme cardiaque est surveillé pendant un effort physique intense. Les données physiologiques sont habituellement mesurées à l’aide de capteurs en contact qui se placent sur la peau. Des recherches récentes montrent néanmoins que des technologies comme les webcams sont tout à fait utilisables pour mesurer l’activité cardiaque d’une personne. En plus d’être très abordables, ces caméras particulières sont d’emblée équipées dans un grand nombre de périphériques informatiques comme les ordinateurs portables ou les smartphones par exemple. Les recherches sur cette thématique sont en plein essor depuis les cinq dernières années même si les premières publications montrant qu’il est pratiquement possible de mesurer l’activité du cœur par des caméras ont maintenant une dizaine d’années. L’intérêt de la recherche dans ce domaine ne cesse de croitre et de plus en plus de laboratoires et d’équipes de recherche s’intéressent au potentiel de cette méthode. Un état de l’art sur les techniques permettant de mesurer des données physiologiques par webcam est proposé dans le deuxième chapitre de cette thèse. Le deuxième volet des travaux de recherche présentés dans ce manuscrit concerne la reconnaissance du stress basée sur la physiologie humaine. Un ensemble de procédés informatiques permettent de former une courbe de stress à partir des données physiologiques extraites de la webcam. Un jeu interactif et établi sur ordinateur a été développé pour induire du stress chez les individus qui ont participé à cette étude. Les expériences sont scindées en trois sessions de stress entrecoupées de trois sessions de relaxation où nous demandons aux participants de se détendre en visionnant des vidéos apaisantes. La webcam est placée en face de la personne pour enregistrer son activité cardiaque tout le long de l’expérience. 1 INTRODUCTION GÉNÉRALE uploads/Geographie/ manuscript-final-bousefsaf.pdf